基于本体的多设计团队协同产品设计知识建模

中国机械工程第 23 卷第 22 期 2012 年 11 月下半月
基于本体的多设计团队协同产品设计知识建模
王有远 暋 王发麟 暋 乐承毅 暋 张丹平 暋 宗 暋 琪
南昌航空大学,南昌,
330063
摘要:为解决多设计团队协同产品设计过程中设计知识共享和重用困难等问题,提出了一种基于本
体的多设计团队协同产品设计知识建模方法。分析了多设计团队协同 产 品 设 计 的 特 点,建 立 了 多 设 计
团队协同产品设计工作模型,提出了多设计团队协同产品设计知识本 体 构 建 框 架。以 本 体 建 模 理 论 为
依据,以机械产品协同设计为研究背景,利用分类和描述的思想方法对基于本体的多设计团队协同产品
设计知 识 建 模 过 程 进 行 了 研 究,包 括 设 计 知 识 的 分 类 与 概 念 抽 取、设 计 知 识 的 OWL 描 述 以 及 属 性 定
义。在此基础上,构建了机械产品协同设计知识本体模型。最后通过 应 用 实 例 验 证 了 该 方 法 的 可 行 性
和有效性。
关键词:多设计团队;协同产品设计;设计知识;知识建模;本体
中图分类号:
TP39;
TB21暋暋暋暋暋暋DOI:
10.
3969/
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1004-132X.
2012.
22.
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0暋 引言
品设计知识模型以为设计人员提供所需的设计知
在协同产品设计中,处于分布式的、异地的和
动态环境中的多学科设计团队涉及许多复杂的交
互任务 [1飊2]。实践表明,设计知识的共享和重用可
以 减 少 不 必 要 的 重 复 劳 动,缩 短 产 品 研 制 周 期。
尤其是产品的变型设计可以重用企业多年实践积
累的设计经验和 设 计 知 识,以 解 决 设 计 中 遇 到 的
多领域的大 量 问 题
。因 此,需 要 研 究 有 效 的 产
[
3]
收稿日期:
2011—09—05
基金项目:航空科学基金资助项目 (
2010ZG56027);江 西 省 自 然
科学基金资助项目(
20114BAB201045);江西省科技支撑计划 资
助项目(
2009BGB03100);江 西 省 教 育 厅 科 技 计 划 资 助 项 目
(
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J
11511)
· 2720 ·
识,并借鉴以往产 品 开 发 过 程 中 的 成 功 设 计 方 案
和设计 经 验 帮 助 设 计 人 员 作 出 合 理 的 决 策 [4飊6]。
国内外学者围绕协同产品设计中的知识建模进行
了相关研 究。 如 Kim 等 [7]针 对 协 同 产 品 开 发 中
的装配设计知识 与 信 息 共 享 问 题,提 出 了 一 种 装
配设计知识本体,用来精确描述设计知识的语义,
便于设计 知 识 的 获 取 与 共 享。Chen[8]采 用 基 于
本体的知识建模技术建立了协同模具产品设计知
识模型,模型 主 要 包 括 概 念 知 识 和 物 理 知 识。张
东民等 [9]研究了 基 于 本 体 的 设 计 知 识 建 模 方 法,
以支持 产 品 设 计 知 识 的 转 移 和 重 用。 席 文 奎
等 [10]提出了基 于 本 体 理 论 开 发 复 杂 产 品 协 同 设
基于本体的多设计团队协同产品设计知识建模———王有远 暋 王发麟 暋 乐承毅等
计知识库 的 方 法 和 技 术 路 线。 姜 洋 等 [11]则 在 分
析了协同产品设 计 知 识 组 成 的 基 础 上,构 建 了 产
品设计知识的本体模型。
以上研究针对产品协同设计的不同方面进行
了卓有成效的探 讨,但 针 对 多 个 设 计 团 队 协 同 参
与的产品设计知识建模还无人涉及。本文提出了
基于本体的多设计团队协同产品设计知识建模方
法;采用本体 描 述 语 言 OWL 对 协 同 产 品 设 计 知
识的概念、属性及关系进行形式化描述,使多设计
团队中协同设计异构系统之间的语义互操作以及
设计知识的共享与重用成为可能。
1暋 多设计团队协同产品设计模型
OG MDT 表示 所 有 设 计 团 队 的 共 同 目 标 集;
SG MDT
表示单个设计团队的目标集。
将协同产品设计任务转化成一个总的问题解
决任务,该总的问题解决任务由以下几部分组成:
捕获产品需求;确定总体目标和总任务;将总任务
按分层结构分解成多个子任 务:子 任 务 1,子 任 务
2,…,子任务 n;将各个子任务分配给已组建的多
设计团队;每一个设计团队解决各自的子任务;将
各子解决任务的 结 果 进 行 综 合,最 终 产 生 一 个 总
体的解决方案 [12飊13]。多设计团队协同产品设计工
作模型如图 1 所示。
与传统的产品 开 发 方 式 不 同,多 设 计 团 队 协
同产品设计存在跨企业、跨地域等特点,有面对面
的交互、同步分布式交互、异步交互以及异步分布
式交互等多 种 工 作 方 式。因 此,在 协 同 产 品 设 计
的异地交互过程中存在一些新的特点,如:产品设
计知 识 分 散;设 计 知 识 具 有 多 源 性、多 类 型 性;设
计是一个以产品 为 中 心 的 动 态 配 置 过 程;每 一 个
设计团队都没有 完 备 的 信 息 来 解 决 问 题;协 同 设
计环 境 具 有 动 态 协 作 性、异 地 性、互 操 作 性、多 用
户设计知识表达一致性等。
1.
1暋 多设计团队协同产品设计工作模型
在计算机支持 的 协 同 工 作 环 境 下,来 自 不 同
学科领域的专家和分布于各个企业的多个设计团
队在对总的产品设计目标达成共识、相互信任、协
调和合作 的 基 础 上 共 同 组 建 成 一 个 多 设 计 团 队
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过共享设计知识而不是交换传统资料来实现分布
设计任务的集成。多个设计团队的联盟可以快速
地对目标达成共识,包括协议内容、工作方式的结
合、团队合约及项目规则等,从而充分利用集体智
慧与资源进行决 策 设 计,共 同 致 力 于 产 品 的 开 发
活动,提高产品开发质量,缩短产品开发周期。
基于多设计团队协同产品设计的异地复杂交
互等特点和多设 计 团 队 的 组 合 方 式,多 设 计 团 队
协同产品设计模型的形式化定义如下:
定义 1暋 多 设 计 团 队 协 同 产 品 设 计 模 型 为
{
MDT _CPDM }曀 = {
BMDT ,
DMDT ,
IMDT ,
OG MDT ,
SG MDT }。其中,
BMDT 是关于整个产品设计任务相
关域的信念 集,如 团 队 间 的 共 识、信 任、合 作 和 相
关规则等;
DMDT 是各个设计团队所要达到各自设
计目标 的 期 望 集,是 衔 接 各 子 设 计 的 基 础;
IMDT
表示各设计团队当 前 的 目 的 集,各 设 计 团 队 执 行
任务 的 目 的 是 为 了 达 到 其 各 自 的 设 计 目 标;
图 1暋 多设计团队协同产品设计工作模型
在图 1 中,协 同 工 作 平 台 是 支 持 多 设 计 团 队
协同工作的基础支撑,具备必要的软硬件环境,同
时也包括与协同 相 关 的 设 计 规 范、资 源 库 和 知 识
库等,覆 盖 了 协 同 工 作 的 人 员 组 织、资 源 分 配、过
程管理以及设计成果的集中等多个环节。多设计
团队成员可以通过协同工作平台共享产品数据资
料和设计资源,对设计方案进行讨论和修改。
1.
2暋 多 设 计 团 队 协 同 产 品 设 计 知 识 本 体 构 建
框架
为支持多设计团队中协同设计异构系统之间
的语义互操作,需 采 用 本 体 技 术 来 表 达 协 同 设 计
的信息,使产 品 知 识 内 容 语 义 形 式 化。多 设 计 团
队协同产品设计知识本体构建框架如图 2 所示。
在本体构建过 程 中,概 念 抽 取 及 概 念 间 关 系
的识别和定义是本体构建任务的两个重要部
分 [14]。当前本 体 的 构 建 主 要 是 通 过 领 域 专 家 来
· 2721 ·
中国机械工程第 23 卷第 22 期 2012 年 11 月下半月
2.
1暋 协同产品设计知识的分类与概念抽取
协同产品设计 知 识 涉 及 的 范 围 非 常 广 泛,其
分类从不同的角度有不同的分法。本文从本体论
角度给出机械 产 品 协 同 设 计 知 识 的 分 类 [3],如 图
3 所示。
图 2暋 多设计团队协同产品设计知识本体构建框架
完成,这种方法存在一些不足,如过多依赖领域专
家、构 建 过 程 复 杂、任 务 繁 重,以 及 维 护 和 更 新 困
难等。针对 以 上 问 题,Yi等
[
15]
提出了一种基于
字典的半自动本 体 构 建 方 法,该 方 法 通 过 获 取 用
户的兴趣 爱 好 来 构 建 本 体。 胡 恒 杰 等 [16]则 提 出
一种新的基于自 组 织 原 理 的 本 体 建 立 方 法:将 建
立本体的任务直 接 转 移 给 企 业 的 工 程 技 术 人 员,
使他们在使用知识库进行设计时直接进行本体的
建立和维护。
在多设计团队协同产品设计知识本体的构建
过程中,领域专家担当着主要的本体建立角色,同
时多设计团队也共同参与到其中以解决单靠领域
专家进行本体建立所带来的各种问题。领域专家
利用相关领域知 识 负 责 完 成 对 产 品 信 息 的 分 析、
概念的抽取、术语 构 造 以 及 概 念 间 关 系 的 识 别 和
定义。多设计团队中的各个设计团队在使用领域
专家建立的本体 库 的 过 程 中,若 存 在 问 题 或 有 修
改意见,则通过专 门 设 立 的 讨 论 区 与 领 域 专 家 进
行讨论。领域专家根据设计团队所提出的问题和
修改意见对本体 库 进 行 更 新 和 维 护,这 样 本 体 库
中的本体概念之间是处于一种实时动态更新和调
整的状态。
2暋 基于 本 体 的 多 设 计 团 队 协 同 产 品 设 计
知识建模
暋暋 从基于本体 的 知 识 管 理 角 度 看,知 识 建 模 过
程可以认为是在对相关设计文档和产品信息进行
图 3暋 基于本体论角度的机械产品协同设计知识分类
机械产品协同设计知识概念术语细化分类体
系如下:
(
1)行业 知 识。包 括 行 业 标 准 (设 计 标 准、设
计规 范、设 计 公 式),行 业 技 术 动 态,行 业 通 用 知
识,设计原理(设计向导、设计手册、设计方法学),
专著和专利知识等。
(
2)企 业 知 识。 包 括 企 业 专 有 知 识 (设 计 历
史、已 有 实 例、以 往 设 计 图 纸 等),产 品 的 二 维、三
维模 型 文 件,计 算 程 序 知 识,仿 真 试 验 与 检 测 数
据,相关文件(设 计 指 导 书、相 关 设 计 文 献 等),市
场及客户反馈信息。
(
3)团队和个人知识。包括领域专家的知识,
产品设计师的知 识,协 同 设 计 知 识,设 计 经 验 (经
验公式,经验数据,叙述性经验)等。
2.
2暋 协 同 产 品 设 计 知 识 的 OWL 描 述 及 属 性
定义
协同产品设计知识本体采用 OWL 进行形式
化编码,即用 OWL 中 定 义 好 的 元 本 体 对 知 识 概
念和关系进行形式化描述。采用由斯坦福大学开
[ ]
发的 Pr
o
t
湨g湨本体 开 发 工 具 21 ,用 户 可 通 过 输 入
结构化或半结构 化 的 实 体 概 念 和 属 性 信 息,输 出
本体化和语义化的知识模型并基于知识模型进行
语义推理。利 用 Pr
o
t
湨g湨OWL 插 件 对 行 业 知 识
进行 OWL 本体的开发,主要包括以下三个步骤:
创建类和类的层 次 结 构、定 义 类 的 属 性 和 属 性 的
约束、构建类的个体。使用 Pr
o
t
湨g湨3.
1.
1 开发的
行业知识类和类的层次结构如图 4 所示。
分析、抽取并形成一系列知识集合之后,采用基于
本体的知识表示方法来对不同类型的知识进行组
织和描述,最后利 用 形 式 化 的 知 识 表 示 方 法 获 取
知识语义信息的过程 [17飊20]。本文将多设计团队协
同产品设计知识建模过程分为协同产品设计知识
的获取(包括设计 知 识 的 分 类 与 概 念 抽 取)、产 品
设计知识的本体构建和基于本体的知识表示(类、
属性、关系等的定义及 OWL 语言的形式化描述)
等几个步骤。
· 2722 ·
图 4暋 行业知识类的层次结构
基于本体的多设计团队协同产品设计知识建模———王有远 暋 王发麟 暋 乐承毅等
行业知识概念术语 OWL 描述的本体片段如
下所示:
<owl:Cl
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f:ID="设计标准">
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s:subCl
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暋暋<owl:Cl
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f:ID="行业标准"/>
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</owl:Cl
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<owl:Cl
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d
f:abou
t="# 行业标准">
动力学(汽 车 空 气 动 力 噪 声,汽 车 空 气 动 力 学 试
验,汽 车 空 气 动 力 学 数 值 计 算),声 学,光 学,…),
艺术知识(汽车 图 案 学,汽 车 色 彩 学,视 觉 规 律 原
理,绘画,雕塑,…),经济学,商业心理学,环境学,
…)。
汽车造 型 设 计 知 识 本 体 的 层 次 结 构 如 图 5
所示。
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f:ID="行业知识"/>
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</owl:Cl
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f:ID="行业技术动态">
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e="# 行业知识"/>
</owl:Cl
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s>
暋暋 ……
一个属性是 一 个 二 元 关 系,在 OWL 中 有 两
种类型的属性:对象属性和数据类型属性,分别表
示类的实例之间的关系和类的实例与文字之间的
关系。对象属性用 owl:Ob
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j
y 定义,并
用 rd
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s:doma
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n 和 rd
f
s:r
ange 指 明 它 的 定 义 域
和值域。
图 5暋 汽车造型设计知识本体的层次结构
协同产品设计知识的部分属性定义如下:
Clyzj = (
AC (姓 名,性 别,出 生 日 期,联 系 方 式,…),
汽车造型设计知识概念术语 OWL 描述的本
A (熟悉内容));
体片段如下:
…),
A (产生来源))。
暋<r
d
f
s:subCl
a
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sOf>
R
Csjjy = (
AC (成 功 设 计 方 案,设 计 失 误,最 佳 实 践,
R
其中,
Clyzj 表示领 域 专 家 的 知 识 属 性 集,
Csjjy 表 示
设计师的知识属性集。
其对象属性关系的 OWL 描述为:
<owl:Ob
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f:ID="熟悉">
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e="# 领域专家"/>
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e="# 行业技术动态"/>
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e="# 设计经验"/>
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e="# 企业专有知识"/>
</owl:Ob
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3暋 应用实例分析
汽车造型设计 具 有 多 设 计 团 队 参 与、多 学 科
知识 交 叉、多 进 程 交 互、多 方 案 选 择、美 学 需 求 多
样 等 特 点,下 面 以 汽 车 造 型 设 计 为 例 进 行 分 析。
汽车造型设计知识概念术语的分类体系可表
示为:
汽车造 型 设 计 知 识 (科 学 知 识 (人 机 工 程 学
(人 体 力 学,人 体 测 量 学,劳 动 心 理 学,劳 动 生 理
学),机 械 制 图 学,工 程 材 料 学,制 造 工 艺 学,空 气
<owl:Cl
a
s
sr
d
f:ID="人体力学">
暋暋<owl:Cl
a
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sr
d
f:ID="人机工程学"/>
暋</r
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s:subCl
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</owl:Cl
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<owl:Cl
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t="# 人机工程学">
暋<r
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s:subCl
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暋暋<owl:Cl
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f:ID="科学知识"/>
暋</r
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s:subCl
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</owl:Cl
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<owl:Cl
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f:ID="机械制图学">
暋<r
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s:subCl
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e="# 科学知识"/>
</owl:Cl
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s>
暋暋 ……
对汽 车 造 型 设 计 知 识 的 部 分 属 性 定 义 和
OWL 描述如下:
Ckxzs = (
AC (知 识 类 型,学 科 范 围,功 能,…),
AR (包
含学科));
Cgccl = (
AC (材 料 编 号,材 料 名 称,材 料 功 能,…),
AR (所属学科));
Crjgc = (
AC (人 体 结 构,人 体 机 能,作 用 心 理,…),
A (所属学科))。
R
其中,
Ckxzs 表示科学知识属性集,
Cgccl 表示工程材
料知识属性集,
Crjgc 表示人机工程知识属性集。
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中国机械工程第 23 卷第 22 期 2012 年 11 月下半月
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由于 OWL 约束公理只对特定的类和属性进
行约束,对建模对象给出尽可能少的约束条件,所
以应用 OWL 约束公理可以更完整更明确地定义
本体模型。本文仅对汽车造型设计知识进行约束
公理的应用,其部分概念形式化表示为:
汽车空气动力学实验 曉 学科类 暽 Re
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(烐 包 含 于 学 科 · 空 气 动 力 学 )暽 Re
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及艺术知识 曒1)。
针对汽车空气动力学实验,建立两个 Ob
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容)。其 OWL 属 性 约 束 如 图 6 所 示。 因 篇 幅 所
限,其余类的相关属性约束按照此方法进行操作。
图 6暋 汽车空气动力学实验的 OWL 属性约束
暋暋 汽车造型设计知识约束公理的 OWL 描述片
段为:
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ID="汽车造型设计知识">
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当其中一个设计团队中的设计人员有协同需
求时,便向协同工 作 平 台 的 产 品 项 目 管 理 中 心 发
出协同请求,请求中包含协同的主要内容,协同时
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间等。协同工作平台通过 I
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各个协同企业(团 队)发 出 协 同 邀 请,符 合 要 求 的
基于本体的多设计团队协同产品设计知识建模———王有远 暋 王发麟 暋 乐承毅等
相关协同设计团 队 收 到 协 同 邀 请 后,则 进 入 协 同
设计环境,与发出 协 同 请 求 的 设 计 团 队 进 行 实 时
交互活动,完成相应的产品设计工作。
4暋 结束语
本文从 多 设 计 团 队 协 同 产 品 设 计 知 识 的 表
示、共享和重用角度出发,针对多设计团队协同设
计知识的特点,提 出 了 基 于 本 体 的 多 设 计 团 队 协
同产品设计知识建模方法。基于本体的多设计团
队协同产品设计知识建模方法可以解决产品设计
知识的共享和重 用 问 题,为 产 品 设 计 知 识 的 集 成
提供了语义基础 和 逻 辑 模 型,从 而 支 持 多 设 计 团
队中协同设计异构系统之间的语义互操作。
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(编辑 暋 卢湘帆)
作者简介:王有远,男,
1965 年 生。 南 昌 航 空 大 学 工 业 工 程 研 究
所教授。研究 方 向 为 制 造 业 信 息 化、工 业 工 程 等。 王发麟,男,
1986 年 生。 南 昌 航 空 大 学 航 空 制 造 工 程 学 院 硕 士 研 究 生。
乐承毅,男,
1982 年 生。 南 昌 航 空 大 学 工 业 工 程 研 究 所 讲 师。
张丹平,女,
1967 年 生。 南 昌 航 空 大 学 经 济 管 理 学 院 副 教 授。
宗 暋 琪,女,
1973 年生。南昌航空大学经济管理学院讲师。
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